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基于TiO_2纳米线阵列的量子点超薄膜敏化太阳能电池的研究

陈欣  
【摘要】:太阳能电池依据不同的阳极材料可以分为单晶硅,多晶硅,化合物薄膜,聚合物薄膜和纳米晶太阳能电池等,本文主要研究纳米晶太阳能电池,纳米晶作为阳极材料,其性能较稳定且制作成本低廉,将其组装成太阳能电池也具有较高的光电转换效率,因此,成为了新一代备受瞩目的太阳能电池。光阳极和敏化剂的优化和改善是提高这一类太阳能电池光电转换效率的突破点,本文针对TiO2纳米晶开展了研究,研究的着重点是如何有效的控制TiO2的形貌,使其能够为电子提供直接的传输通道,减少电子的复合,增加电子的寿命。此外,还开展了量子点敏化剂的研究,目前普遍使用的是N719染料敏化剂,然而由于这种敏化剂价格昂贵,稳定性较差,因此在工业生产领域受到了一定的局限。而半导体量子点由于其具有带隙可调,高消光系数,多激子效应等突出的光电性能,成为了理想的代替染料的敏化剂。同时,在制作工艺方面,半导体量子点具有价格低廉,制作方法简单,稳定性良好等优点,因此量子点是染料敏化剂理想的代替材料。本文合成了多种不同形貌的TiO2纳米线材料,采用X射线衍射仪,场发射扫描电子显微镜和高倍透射电子显微镜对样品的晶相,形貌进行了表征。并通过对光电转换效率的测试,和电荷转移机制的测试来研究其光电性能。同时针对量子点尺寸不易控制,分散性不够好,组装的量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)效率较低等问题,采用了聚合物辅助层层自组装方法(PA-SILAR)和CdSexS(1-x)/CdS共敏化的方式制备QDSSCs,并对其光电性能进行研究。本文主要的研究内容和结构如下:(1)通过水热法,分别制备了TiO2纳米晶薄膜,三维TiO2纳米线(3D-TiO2),3D-TiO2纳米树三种结构的阳极膜,分别对这三种形貌进行表征。并通过阳极氧化的方法将制备好的阳极膜脱落,转移到旋涂有阻挡层的FTO导电玻璃上,将制备好的光阳极,与铂对电极进行组装制备染料敏化太阳能电池(DSSCs),并进行光电性能测试,发现由TiO2纳米树所组装而成的DSSCs的光电转换效率最高,达到了8.7%,短路电流达到了15.94 mA·cm-2。这种树状的结构具有一维纳米结构的优点,同时也克服了一维纳米结构比表面积小的缺点。(2)为了更好的控制量子点的尺寸,利用光滑的TiO2纳米线阵列为基底,通过聚乙烯亚酰胺(PEI)作为连结剂,采用PA-LBLAR方法来合成CdS量子点,与传统的离子交换法(SILAR)相比,该法更能够有效控制量子点大小,同时PA-LBLAR法更易于使量子点均匀分散,且更加牢固的将CdS量子点吸附在光阳极上。将采用这种方法制备的TiO2/CdS QDSSCs与传统的SILAR法所制备的TiO2/CdS QDSSCs进行光电性能的比较,发现PA-LBLAR法所获得的光电转换效率更高,能够达到2.94%,短路电流密度达到8.65 mA·cm-2。(3)针对目前QDSSCs的光电转换效率较低的问题,通过改善光阳极结构和量子点敏化剂吸收波段提高了QDSSCs光电转换效率。首先,光阳极采用的是TiO2纳米树/纳米花球的分级结构,这种结构是在纳米树的基础之上,进一步的制备了纳米花球,使得光阳极的比表面积增大,同时提高散射能力。另外,将敏化剂由单一的CdS敏化改为CdSexS(1-x)和CdS共敏化,制备TiO2纳米树/纳米花球/CdSex S(1-x)/CdS共敏化的QDSSCs,其光电转化效率比单一的CdS敏化有了很大的的提高,短路电流达到了18.01 mA·cm-2,转换效率达到4.79%。


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